專利名稱：基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
電容式傳感器是一種把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。70年代末以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?br> 現(xiàn)有報(bào)道的電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路主要有(I)電橋電路將電容傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)相鄰臂，另兩臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變化導(dǎo)致傳感器電容變化引起電橋失衡，電橋輸出電壓變化。(2)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路又叫差動(dòng)脈寬調(diào)制電路，利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容傳感器容量變化而變化，通過低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。(3)調(diào)頻電路將傳感器電容接入振蕩器LC諧振回路中，作為回路的一部分，將電容容量的變化轉(zhuǎn)換為電路振蕩頻率的變化，從而可以通過測(cè)量頻率來得到被測(cè)量的變化。(4)運(yùn)放式測(cè)量電路將傳感器電容接入運(yùn)放中，作為運(yùn)放的反饋元件，然后在運(yùn)放輸入端輸入恒定的交流信號(hào)，于是輸出信號(hào)電壓受反饋電容控制。由于這種接法輸出信號(hào)與傳感器電容是反比關(guān)系，特別適合變極距型電容傳感器。對(duì)電容式傳感器在焊縫跟蹤的研究，主要集中在提取偏差信號(hào)的技術(shù)上。對(duì)于電容式傳感器在焊縫跟蹤中的應(yīng)用技術(shù)，目前尚未發(fā)現(xiàn)開展過這方面的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種成本低、實(shí)時(shí)性好、靈敏度和精確度高、穩(wěn)定性好的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。本發(fā)明的第一個(gè)目的是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的該基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括安裝于十字滑架上的焊槍，十字滑架固連于輪式機(jī)器人小車上；所述十字滑架與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)連接有下位機(jī)液晶屏控制面板；所述焊槍上固連有一個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂的伸出端固連有一個(gè)電容式傳感器，電容式傳感器的測(cè)頭與被焊工件之間保持一定的距離并被視為電容傳感器的兩個(gè)極板；所述電容式傳感器連接在電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路上，電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路依次通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路連接到所述控制系統(tǒng)上。更具體地說，所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路采用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路。
或者，所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路采用運(yùn)放式測(cè)量電路。其中，電容式傳感器采用完全等電位屏蔽電路屏蔽分布電容。所述電容式傳感器采用差動(dòng)變極距式電容傳感器；所述差動(dòng)變極距式電容傳感器有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板產(chǎn)生移動(dòng)，被焊工件被視為中間移動(dòng)極板。所述電容式傳感器的測(cè)頭采用環(huán)形極板。本發(fā)明的第二目的在于提供上述基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，該方法是，輪式機(jī)器人小車控制焊槍按工作方向前進(jìn)，焊槍隨輪式機(jī)器人小車的移動(dòng)與待焊工件呈現(xiàn)一定的位姿關(guān)系，通過機(jī)械臂與焊槍固連的電容式傳感器測(cè)頭與工件之間也呈現(xiàn)一定的位置變化，反應(yīng)為電容式傳感器測(cè)頭與工件之間間距或者有效正對(duì)面積的變化，從而引起電容式傳感器電壓的變化；電容式傳感器通過其電壓的變化采集到 焊縫橫向與高低偏差信號(hào)，經(jīng)電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路處理信號(hào)后，送入到控制系統(tǒng)微機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波和軟件處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的對(duì)十字滑架和輪式機(jī)器人小車進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)焊槍偏差調(diào)整，進(jìn)行焊縫跟Ife，完成自動(dòng)化焊接。所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路是采用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路或者運(yùn)放式測(cè)量電路對(duì)電容傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和提取。所述電容式傳感器采用差動(dòng)變極距式電容傳感器，對(duì)焊縫跟蹤過程中傳感器測(cè)頭與被焊工件之間距離的變化進(jìn)行測(cè)量，從而減小非線性誤差，提高靈敏度，消除溫度和其他干擾所引起的漂移；所述差動(dòng)變極距式電容傳感器有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板產(chǎn)生移動(dòng)，被焊工件被視為中間移動(dòng)極板。所述電容式傳感器的測(cè)頭采用環(huán)形極板，用來提高傳感器電容值和靈敏度。本發(fā)明原理是，根據(jù)電容的公式C= ε S/d其中，ε為兩極板間電介質(zhì)的電介常數(shù)，S為兩極板的有效面積，d為兩極板間的距離。在另外兩個(gè)條件不變的情況下，電容隨極板間距的變大而減小，隨有效正對(duì)面積的增大而增大，隨電介常數(shù)的改變而改變。利用電容的這一特性，我們可以假象電容式傳感器的測(cè)頭與加工工件之間為一電容。當(dāng)兩者之間距離、有效面積或中間電介質(zhì)改變時(shí)，電容隨即改變。利用一些輔助電路，可以得到電容式傳感器測(cè)頭與工件之間的位置關(guān)系。本發(fā)明將電容式傳感器用于焊縫自動(dòng)跟蹤上，具有實(shí)時(shí)性好、控制精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前焊縫自動(dòng)跟蹤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度低、實(shí)時(shí)性不好的一系列問題。本發(fā)明通過實(shí)際焊接工藝試驗(yàn)證明，跟蹤效果好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是電容式傳感器測(cè)頭與被焊工件之間的位姿關(guān)系示意圖，其中，圖(a)是焊槍對(duì)中時(shí)的不意圖，圖(b)是焊槍左偏時(shí)的不意圖，圖(C)是焊槍右偏時(shí)的不意圖。圖3是差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖。圖4是差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路中各點(diǎn)電壓波形圖，其中，圖(a)是當(dāng)C1=Cx時(shí)的波形圖，圖(b)是當(dāng)C1幸Cx，且CxA時(shí)的波形圖。
圖5是差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的信號(hào)處理電路模塊連接框圖。圖6是電容式傳感器環(huán)形極板的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是差動(dòng)變極距式電容傳感器測(cè)量方法示意圖。圖8是運(yùn)放式測(cè)量電路圖。圖9是運(yùn)放式測(cè)量電路圖采用完全等電位屏蔽技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
參見圖I，本發(fā)明實(shí)施例中，焊槍I安裝于十字滑架2上，十字滑架2固連于輪式機(jī)器人小車3上；從圖I中可見，十字滑架2與步進(jìn)電機(jī)連接并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使焊槍I也隨十字滑架2作左右滑動(dòng)。從圖I中還可見，步進(jìn)電機(jī)與控制系統(tǒng)連接并由控制系統(tǒng)控制其運(yùn)轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)還連接有下位機(jī)液晶屏控制面板，由此提供一個(gè)人機(jī)交互操作界面。焊槍I上固連有機(jī)械臂4，機(jī)械臂4的伸出端固連有電容式傳感器，電容式傳感器的測(cè)頭5與被焊工件6之間保持一定的距離；電容式傳感器連接在差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路上，差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路依次通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路連接到控制系統(tǒng)上。結(jié)合圖2，是電容式傳感器測(cè)頭與被焊工件之間的位姿關(guān)系示意圖。從本發(fā)明原理可知，電容式傳感器通過機(jī)械臂與焊槍相連，與被焊工件呈現(xiàn)出一定的位姿狀態(tài)，當(dāng)焊槍相對(duì)于被焊工件左右移動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)為電容傳感器測(cè)頭與工件之間d的變化，從而改變電容Ct的值。 參見圖3，是本實(shí)施例差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的電路圖，為測(cè)得電容Ct的變化，利用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路進(jìn)行測(cè)量。利用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路進(jìn)行對(duì)電容傳感器信號(hào)的提取，它包括比較器Ap A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及基礎(chǔ)電容C1 (固定不變)、傳感器電容Cx (測(cè)量電容)與二極管DpD2,電阻R7、R8組成的充放電回路等。當(dāng)Q端從零跳變到高電平開始通過R7給傳感器Cx充電時(shí)，其電壓方程為Uc = Ur = Ur (I — e~TllR>,Cx)其中，Ue為觸發(fā)器的高電位；UK為比較器給定電壓；τ 為時(shí)間常數(shù)。Ue使Cx充電到Ue的時(shí)間T1為T1=R7CJn (
Ue —Ur同理可以得到電容C1的充電時(shí)間T2為T2 = Rf
Ue —UrUab= 1I ) Ui.;
[ + l2聯(lián)立可得
權(quán)利要求
1.一種基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括安裝于十字滑架上的焊槍，十字滑架固連于輪式機(jī)器人小車上；所述十字滑架與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)連接有下位機(jī)液晶屏控制面板；其特征在于所述焊槍上固連有一個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂的伸出端固連有一個(gè)電容式傳感器，電容式傳感器的測(cè)頭與被焊工件之間保持一定的距離并被視為電容傳感器的兩個(gè)極板；所述電容式傳感器連接在電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路上，電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路依次通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路連接到所述控制系統(tǒng)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路采用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路采用運(yùn)放式測(cè)量電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電容式傳感器采用完全等電位屏蔽電路屏蔽分布電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電容式傳感器采用差動(dòng)變極距式電容傳感器；所述差動(dòng)變極距式電容傳感器有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板產(chǎn)生移動(dòng)，被焊工件被視為中間移動(dòng)極板。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或5所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述電容式傳感器的測(cè)頭采用環(huán)形極板。
7.—種如權(quán)利要求I所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，其特征在于輪式機(jī)器人小車控制焊槍按工作方向前進(jìn)，焊槍隨輪式機(jī)器人小車的移動(dòng)與待焊工件呈現(xiàn)一定的位姿關(guān)系，通過機(jī)械臂與焊槍固連的電容式傳感器測(cè)頭與工件之間也呈現(xiàn)一定的位置變化，反應(yīng)為電容式傳感器測(cè)頭與工件之間間距或者有效正對(duì)面積的變化，從而引起電容式傳感器電壓的變化；電容式傳感器通過其電壓的變化采集到焊縫橫向與高低偏差信號(hào)，經(jīng)電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路處理信號(hào)后，送入到控制系統(tǒng)微機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波和軟件處理，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的對(duì)十字滑架和輪式機(jī)器人小車進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)焊槍偏差調(diào)整，進(jìn)行焊縫跟蹤，完成自動(dòng)化焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，其特征在于所述電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路是采用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路或者運(yùn)放式測(cè)量電路對(duì)電容傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和提取。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，其特征在于所述電容式傳感器采用差動(dòng)變極距式電容傳感器，對(duì)焊縫跟蹤過程中傳感器測(cè)頭與被焊工件之間距離的變化進(jìn)行測(cè)量，從而減小非線性誤差，提高靈敏度，消除溫度和其他干擾所引起的漂移；所述差動(dòng)變極距式電容傳感器有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板產(chǎn)生移動(dòng)，被焊工件被視為中間移動(dòng)極板。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，其特征在于所述電容式傳感器的測(cè)頭采用環(huán)形極板，用來提高傳感器電容值和靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電容式傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)是，它包括安裝于十字滑架上的焊槍，十字滑架固連于輪式機(jī)器人小車上；十字滑架與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)連接有下位機(jī)液晶屏控制面板；焊槍上固連有一個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂的伸出端固連有一個(gè)電容式傳感器，電容式傳感器的測(cè)頭與被焊工件之間保持一定的距離并被視為電容傳感器的兩個(gè)極板；電容式傳感器連接在電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路上，電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路依次通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路、全波整流電路、增益濾波電路連接到所述控制系統(tǒng)上。本發(fā)明成本低、實(shí)時(shí)性好、靈敏度和精確度高、穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)B23K9/127GK102825365SQ20121033547
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者洪波, 言浚光, 陽佳旺, 湯希 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)